摇摆场谐波对自由电子激光输出功率的影响

在单粒子理论的基础上,详细考察了摇摆场谐波分量对自由电子激光输出功率(包括基频及其谐波)的影响,给出了完整的模拟方程组,并在摇摆场谐波振幅远小于其基波振幅值的假定下,利用三维WAGFEL程序和毫米波自由电子激光放大器的参数模拟计算了摇摆场谐波对自由电子激光基频输出功率的影响。     

自由电子激光振荡器的二维数值模拟

在柱二维坐标系中,用数值计算方法求解了摇摆器内电子模拟方程组、光场方程组和无源区(不含摇摆器区)经非自适应方法变换后的无源旁轴波动方程并设计了相应的程序R_2D。用该程序计算的数值结果表明,在有源条件下二维数值模拟结果与高斯光束近似下的数值模拟结果符合较好;取完全相同的计算条件R-2D程序与洛斯阿拉莫斯实验室(LANL)的FELEX程序的计算结果符合较好;初步认为LANL实验数据的物理图象合理,数值结果基本可信;最后给出北京自由电子激光器(BFEL)的一些物理数据。     

毫米波自由电子激光的数值摸拟和定标律

本文用毫米波自由电子激光三维程序(WAGFEL程序)对典型的矩形波导管毫米波自由电子激光放大器的情况进行了计算、并将所得结果与线性理论进行了比较。两者之间有很好的一致性。同时,考察了电流、束流能散度、空间电荷效应等因素对激光增益系数的影响。在束流亮度不变的情况下,考察了饱和输出功率和饱和功率位置与电流的关系,得到了一些十分有用的定标律。此外,还考察了波导效应、空间电荷效应以及β_2<1效应对共振磁场漂移的影响。     

光学速调管的研究

用毫米波段的光学速调管结构改进自由电子激光器的增益和效率.编制计算机模拟的程序,用来设计光学速调管装置.对于采用小周期摆动磁场的特定情况,片状电子束电压300keV,电流17A,摆动磁场周期3.7mm,工作频率300GHz,光学速调管的增益和效率分别计算为27.9dB和0.5%.若电子束电压为450keV,电流为25A,磁场周期为1cm,工作频率为160GHz,计算结果增益和效率分别为32dB和2.7%.     

磁场随机误差对自由电子激光增益和输出的影响

根据于敏教授的自由电子激光纵模统一理论,推导了磁场含有随机误差影响时光场的小信号增益和指数增益。并且结合曙光一号FEL装置,给出了指数增益区磁场随机误差σ与增益参数g_0的定标关系。同时利用三维WAGFEL程序详细地模拟计算了磁场随机误差对自由电子激光增益和饱和增益的影响。线性理论的结果得到了模拟计算的证实。     

曙光一号自由电子激光自发辐射放大的理论计算

曙光一号自由电子激光装置用自发辐射放大(ASE)机理,在毫米波波段测得了数百毫瓦的光信号输出。利用三维WAGFEL程序,结合曙光一号直线感应加速器型自由电子激光放大器参数,详细地分析了自发辐射放大的增益、输出功率随电子束的质量(包括束流能散度、流强、发射度等因素)的变化情况,给出了相应的定标关系;并且考察了摇摆场随机误差对自发辐射放大功率的影响。最后对自发辐射放大的实验结果进行了分析。     

喇曼自由电子激光器实验的数值模拟

本文采用基于单粒子理论的CAGFEL程序,对中国科学院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)喇曼自由电子激光器的近期实验结果进行了数值模拟,计算表明,当电子能量E_e=0.5MeV,能散度△γ/γ=6％和发射度ξ=0.06(π)rad·cm时,器件的峰值功率高达24MW,对应的辐射增长率为120dB/m,效率为6.1％。     

拉曼型自由电子激光器中相对论电子运动稳定性的比较研究

拉曼型自由电子激光器作为一种兆瓦级高功率毫米波、太赫兹波辐射源, 其电子的运动稳定性对整体器件的性能至关重要.本文采用科尔莫戈罗夫熵方法, 以典型的麻省理工学院公布的实验数据为例, 比较研究拉曼型正向导引磁场和反向导引磁场两类自由电子激光器中相对论电子的运动稳定性. 结果表明:摇摆器绝热压缩磁场对电子运动的稳定性无实质性影响, 但对电子运动影响大; 电子束自身场在拉曼型正向导引磁场自由电子激光器中使电子运动稳定性变差, 而在拉曼型反向导引磁场自由电子激光器中则可改善电子运动稳定性. 关键词： 拉曼型自由电子激光器 相对论电子运动稳定性 科尔莫戈罗夫熵 电子束自身场     

不用导引磁场的虚火花束源拉曼自由电子激光器的数值计算

采用非线笥模型对拉曼自由电子激光器进行数值模拟,发现虚火花束源自由电子激光器苛以去掉导引磁场,用小周期摇摆器,实现器件的小型化和高功率。     

毫米波自由电子激光的空间电荷效应

本文编制了三维数值模拟程序,考虑了电子在摇摆器(Wiggler)内纵向速度β^z=υ^z/c<1的影响,考虑了电子在有质动力势阱中因"群聚"而引起的纵向空间电荷力的影响,考虑了电子束内静电波和激光场、Wiggler静磁波的三波相互作用对电子位相的影响等。对因"群聚"而引起的纵向电场满足的方程求出了近似的二维解析解,用4096个电子模拟求解了电子运动方程和光场方程。数值模拟的结果和Livermore实验室的实验结果进行了比较。结果表明,由于上述几项因素的考虑,我们的数值模拟结果和实验位基本一致,消除了文献[1,2,3]中出现的失谐曲线(detuning curve)峰值磁场漂移300-500高斯的差距。     

毫米波圆柱波导自由电子激光放大器的数值模拟

本文以单粒子理论为基础，在不计空间电荷效应的近似条件下推导了带轴向引导磁场的三维圆柱波导非线性模拟方程组。用CAGFEL程序计算、分析了在带入口区、常数摇摆器条件下两组不同物理参数的自由电子激光放大器的物理模型。计算结果可靠，物理图象合理。对于其中的第二组参数还着重考查了光波频率、输入功率和摇摆器场振幅改变对输出功率和效率的影响。上述这些计算结果对0．7MeV 自由电子激光放大器的设计和实验具有一定的参考价值。     

曙光一号自由电子激光器的理论计算

系统总结曙光一号自由电子激光器理论计算的主要结果:包括曙光一号装置主要参数的选取和理解;磁场失谐曲线的计算;常参数摇摆器和变参数摇摆器的主要结果;高阶波导模的贡献;电子束参数扰动对激光性能的影响;空间电荷效应等。计算结果表明,常参数摇摆器激光输出功率可达80MW,效率约50％;变参数摇摆器激光输出功率可达250MW左右,效率约16％。     

磁场逐渐增强的摇摆器

研究了用磁场增强摇摆器来提高自由电子激光器效率的机制．采用KMR方程，考虑空间电荷效应，模拟计算发现自由电子激光器的效率有了很大的提高，而且电子束能散度越大，对提高自由电子激光器效率越有帮助．因此采用磁场增强摇摆器能充分利用加速器的能量来莸得更高的自由电子激光器能量 关键词：     

Measurements of microwave power and frequency in a pulsed freeelectron laser amplifier

We report output power and frequency measurements of a pulsed free electron laser (FEL) operating as an amplifier at 35 GHz, without guiding field. The experiment used an induction linac, which delivers an 800-A relativistic electron beam (2.2 MeV) with a flat-top of 40 ns into the helical wiggler. The input signal furnished by a 35-GHz magnetron source is amplified to power levels of the order of 80 MW. The experimental results are in good agreement with our simulations. Frequency chirping is observed, and its behavior as a function of the basic FEL parameters is discussed     

曙光一号自由电子激光装置的设计研究

曙光一号自由电子激光装置(SG-1 FEL)是一台高功率毫米波段自由电子激光放大器,它由3.5MeV直线感应加速器、电子束调制系统、变参数摇摆器和微波种子源等部件组成。本文扼要叙述了SG-1 FEL的物理设计和主要技术参数,并重点分析了各主要部件的实验研究、计算模拟,以及物理设计和结构的特点。     

自由电子激光放大啁啾脉冲的数值模拟

 利用1维非定态程序对单程自由电子激光(FEL)放大器放大线性啁啾脉冲的过程进行了数值模拟,得到了不同啁啾参数的脉冲通过FEL放大器的增益曲线,计算了不同啁啾参数的脉冲被单程FEL放大器放大后的腔外压缩情况。通过对数值模拟结果的定性分析得出：影响输出脉冲宽度和峰值功率的主要因素是FEL放大器的增益线宽和啁啾参数,并以此说明,通过先使用FEL放大器放大啁啾脉冲、然后再将其在腔外压缩的方法产生超短脉冲FEL是可行的。     

Interaction of a relativistic dense electron beam with a laser wiggler in a vacuum: self‐field effects on the electron orbits and free‐electron laser gain

Employing laser wigglers and accelerators provides the potential to dramatically cut the size and cost of X‐ray light sources. Owing to recent technological developments in the production of high‐brilliance electron beams and high‐power laser pulses, it is now conceivable to make steps toward the practical realisation of laser‐pumped X‐ray free‐electron lasers (FELs). In this regard, here the head‐on collision of a relativistic dense electron beam with a linearly polarized laser pulse as a wiggler is studied, in which the laser wiggler can be realised using a conventional quantum laser. In addition, an external guide magnetic field is employed to confine the electron beam against self‐fields, therefore improving the FEL operation. Conditions allowing such an operating regime are presented and its relevant validity checked using a set of general scaling formulae. Rigorous analytical solutions of the dynamic equations are provided. These solutions are verified by performing calculations using the derived solutions and well known Runge–Kutta procedure to simulate the electron trajectories. The effects of self‐fields on the FEL gain in this configuration are estimated. Numerical calculations indicate that in the presence of self‐fields the sensitivity of the gain increases in the vicinity of resonance regions. Besides, diamagnetic and paramagnetic effects of the wiggler‐induced self‐magnetic field cause gain decrement and enhancement for different electron orbits, while these diamagnetic and paramagnetic effects increase with increasing beam density. The results are compared with findings of planar magnetostatic wiggler FELs.